張全　付凱兵　李婉清

摘? 要：高速鐵路的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，輪軌的磨耗增加，不僅增加維修成本，而且也影響了列車的安全性。因此，對輪軌幾何關(guān)系的研究尤為重要。影響高速列車輪軌幾何關(guān)系的因素很多。該文以中國鐵路的LMA踏面、日本新干線JR-ARC踏面和歐洲標(biāo)準(zhǔn)S1002踏面以及鋼軌斷面為例，對踏面曲線函數(shù)進(jìn)行研究，比較3種輪軌關(guān)系的幾何參數(shù)差異，分析踏面曲線。

關(guān)鍵詞：高速鐵路? ?車輛動力學(xué)? ?輪軌接觸幾何關(guān)系? ?車輪踏面

中圖分類號：U211.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（b）-0025-03

Study on Several Kinds of Wheel Rail Contact Geometric Relations

ZHANG Quan? ?FU Kaibing? ?LI Wanqing

（Changchun Normal University， Changchun， Jilin Province， 130000 China）

Abstract： The development of high-speed railway has brought us new challenges. The increase of wheel rail wear not only increases the maintenance cost， but also affects the safety of the train. Therefore， it is particularly important to study the wheel rail geometric relationship. There are many factors affecting the wheel rail geometric relationship of high-speed train. Taking LMA tread of China railway， JR-ARC tread of Shinkansen in Japan， S1002 tread of European standard and rail section as examples， this paper studies the tread curve function， compares the geometric parameter differences of three wheel rail relationships， and analyzes the tread curve.

Key Words： High speed railway; Vehicle dynamics; Wheel rail contact geometry; Wheel tread

高速鐵路的發(fā)展給人們的生活帶來了便利，縮短了城市之間的距離，但也帶來了很多復(fù)雜問題。隨著速度的增加，輪軌的磨耗也隨之增加，對車輛的結(jié)構(gòu)造成的破壞也會越來越嚴(yán)重。不僅增加維修成本，而且對列車的安全性構(gòu)成威脅。輪軌幾何關(guān)系的研究對快速軌道列車的發(fā)展起著重要的作用，是輪軌接觸幾何關(guān)系中的基本內(nèi)容[1-6]。其研究為高速鐵路的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。列車的穩(wěn)定性與曲線的通過能力相關(guān)，隨著速度的增加，車輛和輪軌的結(jié)構(gòu)會造成嚴(yán)重的破壞。

高速列車研發(fā)開始至今，日本、歐洲和其他國家采用了不同形狀的車輪和鋼軌，高速鐵路的多年研究經(jīng)和實(shí)際情況表明，不同的車輪踏面曲線和輪對內(nèi)側(cè)距會呈現(xiàn)出不同的輪軌接觸幾何關(guān)系，導(dǎo)致輪軌之間的作用不同，從而高速列車的動力學(xué)性能也會不同。因此，輪軌接觸幾何關(guān)系的研究是各國高速鐵路研究中的一個(gè)重要課題[7-9]。

1? 各國鐵路車輪踏面

該文主要選取中國鐵路的LMA踏面、日本新干線JR-ARC踏面和歐洲標(biāo)準(zhǔn)S1002踏面進(jìn)行比較，利用車輪踏面曲線和輪軌的接觸幾何基本參數(shù)，對3種踏面進(jìn)行比較，根據(jù)踏面曲線的連續(xù)性匹配最佳的鋼軌。

2? 輪軌接觸幾何的基本參數(shù)

該文基于中國鐵路的LMA踏面、日本新干線的JP-ARC踏面和歐洲標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面S1002數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鋼軌的數(shù)據(jù)是橫斷面CHN60和UIC60，具體數(shù)據(jù)見表1。

3? 鋼軌橫斷面的幾何特點(diǎn)

3種踏面曲線的形狀大致相同，都是由直線和圓弧構(gòu)成，區(qū)別有如下幾方面（見圖1）。

（1）LMA和S1002踏面與鋼軌的接觸區(qū)域在車輪內(nèi)側(cè)面與踏面中部大約70 mm處的圓弧區(qū)間。

（2）JP-ARC踏面與鋼軌的接觸區(qū)域在車輪內(nèi)側(cè)面大踏面中部約65 mm處的圓弧區(qū)間。

（3）LMA和S1002用兩條直線連接外側(cè)與中部圓弧。

（4）JP-ARC用半徑為1 000 mm的圓弧連接外側(cè)與中部圓弧。

（5）JP-ARC踏面的輪輞比其他踏面寬度小10 mm。

文獻(xiàn)[8]給出了LMA踏面曲線（見圖2）的分段函數(shù)：

除第4、8、9、10為直線段外，其余均為圓弧段。對這些函數(shù)求導(dǎo)可知LLMA曲線在x=100 mm和x=130 mm處不連續(xù)，其余部分都連續(xù)。根據(jù)圖1可知3種曲線的差別，用同樣的方法得到JP-ARC和S1002的曲線不連續(xù)的點(diǎn)，在不連續(xù)的接觸點(diǎn)處鋼軌的形狀一定是光滑的。所以不同型號的輪軌踏面應(yīng)該選取耦合良好的鋼軌，避免鋼軌在接觸點(diǎn)處非光滑。

4? 結(jié)語

輪軌幾何參數(shù)的研究給高速列車的發(fā)展提供了理論依據(jù)。采用先進(jìn)的輪軌關(guān)系，可以在提高列車的速度的同時(shí)保證列車的穩(wěn)定性，這個(gè)課題的研究具有重要的意義。通過計(jì)算結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)合理的車輪踏面時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)處越是光滑，磨耗越小。從而可以保證列車高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 霍艷忠，武振鋒，謝子豪，等.基于非線性因素的鐵道車輛運(yùn)動穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J].鐵道機(jī)車車輛，2019，39（4）：60-65.

[2] 楊玉青.輪軌復(fù)合故障對城軌車輛的動力學(xué)影響[D].北京：北京建筑大學(xué)，2020.

[3] 胡雅婷，張淑華，堯輝明.基于橫向蠕滑特性的輪軌黏著試驗(yàn)研究[J].潤滑與密封，2020，45（9）：78-82，112.

[4] 梁德龍，尚小菲.國內(nèi)外輪軌增黏方式探討[J].機(jī)車車輛工藝，2020（5）：9-11.

[5] YAMAMOTO D，周賢全.用熱成像技術(shù)改進(jìn)輪軌接觸定位方法[J].國外鐵道車輛，2020，57（3）：27-32.

[6] 楊桐.基于圖像處理的列車輪軌接觸關(guān)系研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2020.

[7] 卜慶萌，姚林泉.輪軌接觸幾何關(guān)系探討[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，27（3）：79-84.

[8] 王成國，王永菲，李海濤，等.高速輪軌接觸幾何關(guān)系的比較分析[J].鐵道機(jī)車車輛，2006（4）：1-5.

[9] 任尊松.車輛系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

作者簡介：張全（1999—），男，本科在讀，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)。

符凱兵（2000—），男，本科在讀，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)。

李婉清（2001—），女， 本科在讀，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)。